第十章微生物发酵生产抗生素 10.1概述 微生物在其生命活动中会产生种类繁多的小分子代谢产物,这些代谢产物一般可以分为两类 初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物一般属于能量代谢或分解代谢的产物,如乙醇、有机 酸、氨基酸等。因此初级代谢产物往往与细胞的生长代谢有着密切的关系。次级代谢产物是在微生 物细胞分化过程中产生的,往往不是细胞生长所必须的代谢产物,对细胞生长并不具有明显的作 用,而且通常以一簇结构相似的化合物组成。次级代谢产物的概念由 Bu Lock于六十年代初提出, 至今已被广泛接受。抗生素就属于次级代谢产物。 10.11微生物次级代谢产物 并非所有的次级代谢产物都符合上述特点,对细胞生长不具有明显的作用也并不等于完全没有 作用,已经证明抗生素 Pamacycin能够诱导放线菌产生气生菌丝就是一个例子。微生物次级代谢产 物是微生物生理、生化状态的体现,通常在细胞生长受到限制的情况下产生。 次级代谢产物虽然对细胞的生长影响不大,但是具有重要的工业应用价值。抗生素、色素、蛋 白抑制剂及毒素等都是次级代谢产物,近年来还发现了具有特殊生理活性的次级代谢产物,如:免 疫调节剂( Bestatin, Cyclosporin A,FK506等),具有临床药理活性的物质( Acarbose, Lovastatin, Asperlicin等)以及农用和动物饲养业用的生物活性物质( Avermectin, Phosphinothricin等)。在次级 代谢产物中,最重要的是抗生素。 1012抗生素的定义和分类 抗生素是人类使用得最多的一类药物,自从第二次世界大战期间青霉素正式投入工业化生产以 来,已经有一百多种抗生素进行商品化生产,为人类的防病治病作出了重要的贡献。虽然抗生素已 被广泛使用,但是由于抗生素的多样性,关于抗生素的定义在专家中一直存在着分歧。目前,一个 为大多数专家所接受的定义是:抗生素是低分子量的微生物代谢产物,能够在很低的浓度下抑制其 它微生物的生长。这里所指的低分子量代谢产物是指抗生素的分子量一般不会超过几千道尔顿。如 溶菌酶( Lysozyme)这类酶及其它复杂的蛋白质分子虽然也具有抗菌活性,但由于它们的分子量很 大,因而在习惯上不将它们归入抗生素一类。只有微生物的天然代谢产物才能称为抗生素,通过化 学修饰的只能称为半合成抗生素,根据天然抗生素的结构完全采用化学合成方法制造的则称为全合 成抗生素。所谓抑制其它微生物生长是指抑制细胞的再生繁殖,因此是针对微生物群体而不是个别 细胞而言的。这种抑制作用一类是永久性的,例如杀细菌剂( Bactericidal)和杀霉菌剂( Fungicidal 等可以将微生物杀死;另一类抗生素只能起到抑制微生物繁殖生长的作用,但不能将它们杀死。在 抗生素的定义中还包含一个很重要的限制条件:低浓度。因为在高浓度下,即使是正常的细胞组 分,如甘氨酸和亮氨酸,也会对某些细菌的生长产生抑制作用。基于同样的理由,一些厌氧发酵的 产物,如乙醇和丁醇,虽然在高浓度下也有杀菌或抑菌作用,也不属于抗生素。典型的抗生素的抗 菌活性非常高,只要在微摩尔甚至纳摩尔浓度时就会有显著的抗菌活性 抗生素的抗菌活性用最小抑制浓度( Minimal Inhibitory Concentration,MC)表示,单位是微克 /毫升。MC可以在液体试管或固体平板上测量,在一系列含有培养基和试验微生物的试管或平板 中,分别加入浓度不断减少的抗生素,能够抑制微生物生长的最低抗生素浓度即为MC值。显然, MC值反映的是抗生素和特定微生物菌株之间的对应关系,即使是同一种微生物的不同菌株,也可 能具有不同的MC值。 抗生素对各种微生物的抗菌活性称为抗生素的抗菌谱。一些抗生素只对Gram阳性或阴性微生 物具有抗菌活性,抗菌谱很窄:另一些则称为广谱抗生素,其中有些不但能抑制细菌、还能抑制霉 菌的生长。还有一类称为抗肿瘤抗生素,这类抗生素也是根据其抗菌活性筛选的,然后再检验它们 杀肿瘤细胞的能力 抗生素研究中最吸引人的课题是抗生素抗菌的作用机理。经过生物化学家和药理学家多年的共 同努力,已经证明的抗菌机理有:抑制细胞壁合成、抑制DNA复制或转录、抑制蛋白质合成及破坏 细胞膜的正常功能等。抗生素抗菌作用机理的专一性,决定了其抗菌谱,例如若某种抗生素是几丁 质酶的强抑制剂,而几丁质是霉菌细胞壁的主要成分之一,这样该抗生素就具有抑制霉菌生长的功 能,但对细菌就没有抗菌效果。理想的抗生素应该只与微生物细胞中的某一目标分子起作用,而且
1 第十章 微生物发酵生产抗生素 10.1 概述 微生物在其生命活动中会产生种类繁多的小分子代谢产物，这些代谢产物一般可以分为两类： 初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物一般属于能量代谢或分解代谢的产物，如乙醇、有机 酸、氨基酸等。因此初级代谢产物往往与细胞的生长代谢有着密切的关系。次级代谢产物是在微生 物细胞分化过程中产生的，往往不是细胞生长所必须的代谢产物，对细胞生长并不具有明显的作 用，而且通常以一簇结构相似的化合物组成。次级代谢产物的概念由 Bu’Lock 于六十年代初提出， 至今已被广泛接受。抗生素就属于次级代谢产物。 10.1.1 微生物次级代谢产物 并非所有的次级代谢产物都符合上述特点，对细胞生长不具有明显的作用也并不等于完全没有 作用，已经证明抗生素 Pamacycin 能够诱导放线菌产生气生菌丝就是一个例子。微生物次级代谢产 物是微生物生理、生化状态的体现，通常在细胞生长受到限制的情况下产生。 次级代谢产物虽然对细胞的生长影响不大，但是具有重要的工业应用价值。抗生素、色素、蛋 白抑制剂及毒素等都是次级代谢产物，近年来还发现了具有特殊生理活性的次级代谢产物，如：免 疫调节剂（Bestatin, Cyclosporin A, FK506 等），具有临床药理活性的物质（Acarbose, Lovastatin, Asperlicin 等）以及农用和动物饲养业用的生物活性物质（Avermectin, Phosphinothricin 等）。在次级 代谢产物中，最重要的是抗生素。 10.1.2 抗生素的定义和分类 抗生素是人类使用得最多的一类药物，自从第二次世界大战期间青霉素正式投入工业化生产以 来，已经有一百多种抗生素进行商品化生产，为人类的防病治病作出了重要的贡献。虽然抗生素已 被广泛使用，但是由于抗生素的多样性，关于抗生素的定义在专家中一直存在着分歧。目前，一个 为大多数专家所接受的定义是：抗生素是低分子量的微生物代谢产物，能够在很低的浓度下抑制其 它微生物的生长。这里所指的低分子量代谢产物是指抗生素的分子量一般不会超过几千道尔顿。如 溶菌酶（Lysozyme）这类酶及其它复杂的蛋白质分子虽然也具有抗菌活性，但由于它们的分子量很 大，因而在习惯上不将它们归入抗生素一类。只有微生物的天然代谢产物才能称为抗生素，通过化 学修饰的只能称为半合成抗生素，根据天然抗生素的结构完全采用化学合成方法制造的则称为全合 成抗生素。所谓抑制其它微生物生长是指抑制细胞的再生繁殖，因此是针对微生物群体而不是个别 细胞而言的。这种抑制作用一类是永久性的，例如杀细菌剂（Bactericidal）和杀霉菌剂(Fungicidal) 等可以将微生物杀死；另一类抗生素只能起到抑制微生物繁殖生长的作用，但不能将它们杀死。在 抗生素的定义中还包含一个很重要的限制条件：低浓度。因为在高浓度下，即使是正常的细胞组 分，如甘氨酸和亮氨酸，也会对某些细菌的生长产生抑制作用。基于同样的理由，一些厌氧发酵的 产物， 如乙醇和丁醇，虽然在高浓度下也有杀菌或抑菌作用，也不属于抗生素。典型的抗生素的抗 菌活性非常高，只要在微摩尔甚至纳摩尔浓度时就会有显著的抗菌活性。 抗生素的抗菌活性用最小抑制浓度（Minimal Inhibitory Concentration, MIC）表示， 单位是微克 /毫升。MIC 可以在液体试管或固体平板上测量，在一系列含有培养基和试验微生物的试管或平板 中，分别加入浓度不断减少的抗生素，能够抑制微生物生长的最低抗生素浓度即为 MIC 值。显然， MIC 值反映的是抗生素和特定微生物菌株之间的对应关系，即使是同一种微生物的不同菌株，也可 能具有不同的 MIC 值。 抗生素对各种微生物的抗菌活性称为抗生素的抗菌谱。一些抗生素只对 Gram 阳性或阴性微生 物具有抗菌活性，抗菌谱很窄；另一些则称为广谱抗生素，其中有些不但能抑制细菌、还能抑制霉 菌的生长。还有一类称为抗肿瘤抗生素，这类抗生素也是根据其抗菌活性筛选的，然后再检验它们 杀肿瘤细胞的能力。 抗生素研究中最吸引人的课题是抗生素抗菌的作用机理。经过生物化学家和药理学家多年的共 同努力，已经证明的抗菌机理有：抑制细胞壁合成、抑制 DNA 复制或转录、抑制蛋白质合成及破坏 细胞膜的正常功能等。抗生素抗菌作用机理的专一性，决定了其抗菌谱，例如若某种抗生素是几丁 质酶的强抑制剂，而几丁质是霉菌细胞壁的主要成分之一，这样该抗生素就具有抑制霉菌生长的功 能，但对细菌就没有抗菌效果。理想的抗生素应该只与微生物细胞中的某一目标分子起作用，而且
在哺乳动物细胞中不存在该目标分子。这样,这种抗生素就不会对高等生物产生毒性,即没有副作 用 已经发现并鉴别结构的抗生素有几千种之多,从化学的观点看,结构多样性是抗生素的一个显 著特点。 Berdy于1974年提出了一个抗生素的正式分类方法并为大家所接受,见表10.1.1 表10.1.1抗生素的分类 编号抗生素类别 编号抗生素类别 碳水化合物类抗生素 51非缩聚(单)杂环 纯多糖 缩聚(聚并)杂环 基糖苷类抗生素 多环抗生素 13 其它(N-或C-)糖苷类 6.1 呋喃衍生物 14 各种糖的衍生物 6 吡喃衍生物 大环内酯类抗生素 63苯基吡喃衍生物 21大环内酯类抗生素 6.4 小内脂类 2.2 多烯类抗生素 聚醚类抗生素 其它大环内酯类抗生素 脂环类抗生素 大环内酰胺类抗生素 71环烷烃衍生物 醌类和其它抗生素 小的萜烯类化合物 线性缩聚多环化合物 低聚萜烯类化合物 3.2 萘醌衍生物 8芳香族抗生素 3.3苯醌衍生物 8.1苯类化合物 34各种醌类似物 82缩环芳香族化合物 4 氨基酸、多肽类抗生素 8.3 非苯型芳香族化合物 41氨基酸衍生物 34芳香族化合物的各种衍生物 脂族抗生素 4.3 非均肽类 91烷烃衍生物 4.4 肽脂类 脂族羧酸衍生物 4.5 高分子量肽类 93含S或P的脂族化合物 含氮多环抗生素 0其它(含未知结构) 从表中可以看到,与蛋白质、核酸等不同,抗生素的化学结构具有多样性,没有一般规律可 循。除了表10.1.1的分类方法外,还有一种常用的非正式分类方法将抗生素分为若干类。分类的依 据是具有类似的结构特点、类似的作用机理和生物活性。下面将对一些常见的抗生素进行简要讨 1、β-内酰胺(β- lactam)类抗生素(图10.11)。这类抗生素分子的结构特点是都有一个阝-内 酰胺的四元环,它们的共同功能是抑制细菌细胞壁主要成分肽聚糖的合成。β-内酰胺类抗生素又可 以根据其化学特性分成几个子类,如青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类及单环内酰胺类等 2、氨基糖苷( Aminoglycosides)类抗生素(图10.1.2)。它们的结构特点是都含有一个六元脂 环,环上有羟基及氨基取代物,分子中还会有若干个糖基或氨基糖基。氨基糖苷类抗生素都具有抑 制核糖体的功能。链霉素和庆大霉素属于这类抗生素。 3、四环素( Tetracyclines)类抗生素(图10.1.3)。四环素类抗生素分子结构中都有一个由四 个缩聚环呈线性排列的核,其共同的功能是在核糖体水平抑制蛋白质合成。这类抗生素的典型例子 是四环素。 4、蒽环( Anthracyclines)类抗生素(图10.L.3)。它们的结构特点与四环素类抗生素类似, 有四个缩聚环,但是它们的作用是在DNA水平,干扰拓扑异构酶( Topoisomerase)的功能,因此常用 作抗肿瘤药,如道诺红霉素( Daunorubicin) 5、抗细菌大环内酯类抗生素(图10.1.4)。这类抗生素的结构特点是含有一个很大的内酯环 通过与细菌核糖体的亚基结合以抑制蛋白质的合成,如红霉素( Erythromycin)。 6、抗霉菌大环内酯类抗生素、或聚烯类抗生素(图10.1.5)。它们的分子结构中也有一个很大 的内酯环,环上有一系列的共轭双键。这类抗生素的作用是干扰真核细胞膜中甾醇的合成,如两性 霉素B( Amphotericin B)
2 在哺乳动物细胞中不存在该目标分子。这样，这种抗生素就不会对高等生物产生毒性，即没有副作 用。 已经发现并鉴别结构的抗生素有几千种之多，从化学的观点看，结构多样性是抗生素的一个显 著特点。Bérdy 于 1974 年提出了一个抗生素的正式分类方法并为大家所接受，见表 10.1.1。 表 10.1.1 抗生素的分类 编号 抗生素类别 编号 抗生素类别 1. 碳水化合物类抗生素 5.1 非缩聚（单）杂环 1.1 纯多糖 5.2 缩聚（聚并）杂环 1.2 氨基糖苷类抗生素 6. 含氧多环抗生素 1.3 其它（N-或 C-）糖苷类 6.1 呋喃衍生物 1.4 各种糖的衍生物 6.2 吡喃衍生物 2. 大环内酯类抗生素 6.3 苯基吡喃衍生物 2.1 大环内酯类抗生素 6.4 小内脂类 2.2 多烯类抗生素 6.5 聚醚类抗生素 2.3 其它大环内酯类抗生素 7. 脂环类抗生素 2.4 大环内酰胺类抗生素 7.1 环烷烃衍生物 3. 醌类和其它抗生素 7.2 小的萜烯类化合物 3.1 线性缩聚多环化合物 7.3 低聚萜烯类化合物 3.2 萘醌衍生物 8. 芳香族抗生素 3.3 苯醌衍生物 8.1 苯类化合物 3.4 各种醌类似物 8.2 缩环芳香族化合物 4. 氨基酸、多肽类抗生素 8.3 非苯型芳香族化合物 4.1 氨基酸衍生物 8.4 芳香族化合物的各种衍生物 4.2 均肽类 9. 脂族抗生素 4.3 非均肽类 9.1 烷烃衍生物 4.4 肽脂类 9.2 脂族羧酸衍生物 4.5 高分子量肽类 9.3 含 S 或 P 的脂族化合物 5. 含氮多环抗生素 0 其它（含未知结构） 从表中可以看到，与蛋白质、核酸等不同，抗生素的化学结构具有多样性，没有一般规律可 循。除了表 10.1.1 的分类方法外，还有一种常用的非正式分类方法将抗生素分为若干类。分类的依 据是具有类似的结构特点、类似的作用机理和生物活性。下面将对一些常见的抗生素进行简要讨 论。 1、-内酰胺（-lactam）类抗生素（图 10.1.1）。这类抗生素分子的结构特点是都有一个-内 酰胺的四元环，它们的共同功能是抑制细菌细胞壁主要成分肽聚糖的合成。-内酰胺类抗生素又可 以根据其化学特性分成几个子类，如青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类及单环内酰胺类等。 2、氨基糖苷（Aminoglycosides）类抗生素（图 10.1.2）。它们的结构特点是都含有一个六元脂 环，环上有羟基及氨基取代物，分子中还会有若干个糖基或氨基糖基。氨基糖苷类抗生素都具有抑 制核糖体的功能。链霉素和庆大霉素属于这类抗生素。 3、四环素（Tetracyclines）类抗生素（图 10.1.3）。四环素类抗生素分子结构中都有一个由四 个缩聚环呈线性排列的核，其共同的功能是在核糖体水平抑制蛋白质合成。这类抗生素的典型例子 是四环素。 4、蒽环（Anthracyclines）类抗生素（图 10.1.3）。它们的结构特点与四环素类抗生素类似，也 有四个缩聚环，但是它们的作用是在 DNA 水平，干扰拓扑异构酶(Topoisomerase)的功能，因此常用 作抗肿瘤药，如道诺红霉素（Daunorubicin）。 5、抗细菌大环内酯类抗生素（图 10.1.4）。这类抗生素的结构特点是含有一个很大的内酯环， 通过与细菌核糖体的亚基结合以抑制蛋白质的合成，如红霉素（Erythromycin）。 6、抗霉菌大环内酯类抗生素、或聚烯类抗生素（图 10.1.5）。它们的分子结构中也有一个很大 的内酯环，环上有一系列的共轭双键。这类抗生素的作用是干扰真核细胞膜中甾醇的合成，如两性 霉素 B（Amphotericin B）
图1011B内酰胺类抗生素示例 图10.12氨基糖苷类抗生素示例 a:青素G;b:头胞菌素 a:链素,含链霉胍的氨基糖苷 c:噻烯霉素;d:棒酸 b:庆大霉素Cla,含脱氧链霉胺 图10.1.3四环素和蒽环类抗生素:四环素(R1=R2=H( Tetracycline);金幂素(Rl=C1,R2=H) ( Chlorotetracycline);土霉素(Rl=H,R2=OH)( Oxytetracycline);b:道诺红莓素(Rl=H) Daunorubicin);阿霉素(R1=OH)① Doxorubicin) H c cs°s 图10.14大环内脂类抗生素示例 a:红霉素 Erythromycin);b:泰乐莓素( Tyrosin) 3
3 图 10.1.1 -内酰胺类抗生素示例 图 10.1.2 氨基糖苷类抗生素示例 a: 青霉素 G； b: 头胞菌素 a: 链霉素，含链霉胍的氨基糖苷 c: 噻烯霉素； d: 棒酸 b: 庆大霉素 C1a, 含脱氧链霉胺 图 10.1.3 四环素和蒽环类抗生素 a: 四环素(R1=R2=H)(Tetracycline); 金霉素（R1=C1，R2=H） (Chlorotetracycline)；土霉素（R1=H， R2=OH）(Oxytetracycline)；b: 道诺红霉素（R1=H） (Daunorubicin)；阿霉素（R1=OH）(Doxorubicin) 图 10.1.4 大环内脂类抗生素示例 a: 红霉素(Erythromycin)；b: 泰乐霉素(Tyrosin)
HC-O- 图10.15聚烯类抗生素两性霉素B 图10.16安沙莓素类抗生素 (两性莓素 B Amphotericin B 利福幂素B(RI=CH2COOH) 利福莓素Sv(Rl=H) 7、安沙霉素( Ansamycin)类抗生素(图10.1.6)。安沙霉素类抗生素中有一个被脂链扩展的 芳香环,该环通过一个酰胺键闭合。它们又可以分成几个子类,其中利福霉素( Rifamycin)是RNA 聚合酶的抑制剂 某些抗生素除了抗菌性能外还具有其它生物活性。例如,利福霉素具有降低胆固醇的功能;红 霉素能诱导胃的运动性:瑞斯托霉素( Ristocetin)能够促进血小板凝固等。这些生物活性与它们的 抗菌能力没有直接联系 10.2抗生素生产菌的生物学基础 10.2.1芽孢杆菌属 Bacillus) 芽孢杆菌属微生物是一类单细胞、杆状菌的总称,好氧或兼性厌氧。它们的共冋特点是当环境 条件不利时会形成内生孢子。芽孢杆菌属于Gram阳性菌,一般可以借助于侧生或有缘毛的鞭毛运 动。芽孢杆菌通常作为腐生菌生活在土壤中,但是也有例外,如:B. anthracis是人类病原菌,而B. thuringiensis是昆虫的病原菌等 芽孢杆菌在工业发酵中主要用于胞外水解酶类生产,而苏云金杆菌B. thuringiensis芽孢中的毒 蛋白晶体则可用作为生物杀虫剂,是一种广泛使用的生物农药。 由芽孢杆菌产生的抗生素一般都属于多肽类抗生素。多肽类抗生素的分子量小于蛋白质,它们 的分子结构中往往含有一些不同于蛋白质的特殊组分,如:D-氨基酸、脂肪酸及环状氨基酸等。多 肽类抗生素与蛋白质的另一个不同点是生物合成途径存在显著的差别,杆菌产生的多肽通常不是通 过核糖体进行转录和翻译,而是由复杂的多酶体系催化合成。芽孢杆菌合成的多肽类抗生素与链霉 菌合成的多肽也有显著的差别,芽孢杆菌合成的多肽不含缩酚肽键( Depsipeptides),肽链的起始是 个酰基,而且肽链中没有甲基化的氨基酸残基 芽孢杆菌产生的多肽类抗生素的抗菌谱差别很大,多数对Gram阳性菌有抑制作用,但多粘菌 素 Polymyxins能抑制Gram阴性菌生长,芽胞菌霉素 Iturins则是抗霉菌剂。它们的作用机理也各不 相同,如:伊短菌素 Edens有抑制聚核苷酸酶的功能:杆菌肽 Bacitracin会阻碍肽聚糖合成:短杆 菌肽 Gramicidins则起着干扰细胞质膜的作用 在抗生素生产的发展历史中,杆菌产生的多肽抗生素曾经起过重要的作用。早在1939年就从B brevis培养液中分离得到了短杆菌肽,至今仍用于外用抗菌剂的配制:杆菌肽是1945年从B licheniformis分离得到的,曾用于治疗链球菌的严重感染,现在则限于外用抗菌剂及饲料添加剂;多 粘菌素B和E曾经是治疗严重的假单胞菌感染用药,但由于毒性较大,现在已停止使用。 芽孢杆菌也能够产生非肽类的抗生素,如:B. circulans产生氨基糖苷类抗生素丁苷菌素 Butirosin,B. megaterium能够产生安沙霉素类的 Lucomycotrienin。虽然丁苷菌素并不用于医药,但 是其结构特点却引起了人们的重视,受其启发而产生了各种氨基糖苷类抗生素的化学改性方法,在 对付细菌对抗生素耐药性方面开辟了新的途径
4 图 10.1.5 聚烯类抗生素两性霉素 B 图 10.1.6 安沙霉素类抗生素 （两性霉素 B Amphotericin B） 利福霉素 B（R1=CH2COOH） 利福霉素 SV（R1=H） 7、安沙霉素（Ansamycin）类抗生素（图 10.1.6）。安沙霉素类抗生素中有一个被脂链扩展的 芳香环，该环通过一个酰胺键闭合。它们又可以分成几个子类，其中利福霉素（Rifamycin）是 RNA 聚合酶的抑制剂。 某些抗生素除了抗菌性能外还具有其它生物活性。例如，利福霉素具有降低胆固醇的功能；红 霉素能诱导胃的运动性；瑞斯托霉素（Ristocetin）能够促进血小板凝固等。这些生物活性与它们的 抗菌能力没有直接联系。 10.2 抗生素生产菌的生物学基础 10.2.1 芽孢杆菌属(Bacillus) 芽孢杆菌属微生物是一类单细胞、杆状菌的总称，好氧或兼性厌氧。它们的共同特点是当环境 条件不利时会形成内生孢子。芽孢杆菌属于 Gram 阳性菌，一般可以借助于侧生或有缘毛的鞭毛运 动。芽孢杆菌通常作为腐生菌生活在土壤中，但是也有例外，如：B. anthracis 是人类病原菌，而 B. thuringiensis 是昆虫的病原菌等。 芽孢杆菌在工业发酵中主要用于胞外水解酶类生产，而苏云金杆菌 B. thuringiensis 芽孢中的毒 蛋白晶体则可用作为生物杀虫剂，是一种广泛使用的生物农药。 由芽孢杆菌产生的抗生素一般都属于多肽类抗生素。多肽类抗生素的分子量小于蛋白质，它们 的分子结构中往往含有一些不同于蛋白质的特殊组分，如：D-氨基酸、脂肪酸及环状氨基酸等。多 肽类抗生素与蛋白质的另一个不同点是生物合成途径存在显著的差别，杆菌产生的多肽通常不是通 过核糖体进行转录和翻译，而是由复杂的多酶体系催化合成。芽孢杆菌合成的多肽类抗生素与链霉 菌合成的多肽也有显著的差别，芽孢杆菌合成的多肽不含缩酚肽键（Depsipeptides），肽链的起始是 一个酰基，而且肽链中没有甲基化的氨基酸残基。 芽孢杆菌产生的多肽类抗生素的抗菌谱差别很大，多数对 Gram 阳性菌有抑制作用，但多粘菌 素 Polymyxins 能抑制 Gram 阴性菌生长，芽胞菌霉素 Iturins 则是抗霉菌剂。它们的作用机理也各不 相同，如：伊短菌素 Edeins 有抑制聚核苷酸酶的功能；杆菌肽 Bacitracin 会阻碍肽聚糖合成；短杆 菌肽 Gramicidins 则起着干扰细胞质膜的作用。 在抗生素生产的发展历史中，杆菌产生的多肽抗生素曾经起过重要的作用。早在 1939 年就从 B. brevis 培养液中分离得到了短杆菌肽，至今仍用于外用抗菌剂的配制；杆菌肽是 1945 年从 B. licheniformis 分离得到的，曾用于治疗链球菌的严重感染，现在则限于外用抗菌剂及饲料添加剂；多 粘菌素 B 和 E 曾经是治疗严重的假单胞菌感染用药，但由于毒性较大，现在已停止使用。 芽孢杆菌也能够产生非肽类的抗生素，如：B. circulans 产生氨基糖苷类抗生素丁苷菌素 Butirocin，B. megaterium 能够产生安沙霉素类的 Lucomycotrienin。虽然丁苷菌素并不用于医药，但 是其结构特点却引起了人们的重视，受其启发而产生了各种氨基糖苷类抗生素的化学改性方法，在 对付细菌对抗生素耐药性方面开辟了新的途径
1022假单胞菌属 Pseudomonas 假单胞菌属细菌是Gram阴性菌,杆状,直径约1μum,长度1.5-5um,能够借助于鞭毛运动, 好氧生长。许多菌株都能积累聚羟基丁酸(PHB),具有很强的降解有机物能力。假单胞菌一般从 土壤中分离得到,也有一些生活在植物的根系和叶子上 假单胞菌的许多性质都与它所携带的大量质粒有关,这些质粒可以分为13类,每一类都有类似 的表观特征、尺寸和DNA结构。在这些质粒中广泛分布着编码抗生素抗性的基因及降解芳香化合物 的基因。假单胞菌产生的次级代谢产物有许多不能算是抗生素,而是色素(如绿脓菌荧光素 Fluorescent pyoverdines)及植物毒素(如丁香霉素 Syringomycins)等 真正能产抗生素的假单胞菌只有P. aeruginosa和P. fluorescens两个种。所产生的抗生素一般是 含氮的杂环化合物,在氨基酸分解代谢的过程中被生物合成,如吩嗪衍生物碘菌素( rodinia)和绿脓菌 素( Pyocyanine)。从假单胞菌中分离得到的抗生素在其它微生物中也曾获得过,如环丝氨酸、磷霉素 及氨霉素等。真正首次从假单胞菌分离得到并已经用于医药的只有两种抗生素:吡咯菌素 ( Pyrrolnitrin)和拟摩尼酸A( Pseudomonic acid a) 吡咯菌素原来也由P. fluorescens或P. pyrrolnitrica生产,属于天然的含氮化合物,有广泛的抗 真菌作用,常用于治疗皮肤感染,但现在这种药已经改用化学合成方法生产。拟摩尼酸A也是由P. fluorescens产生的,它的抗菌谱很广,包括大部分Gram阳性菌和部分Gram阴性菌,能有效地在健 康载体上杀死葡萄球菌。但是拟摩尼酸Δ在人体内会迅速降解为摩尼酸而失去活性,因此也只能外 单环内酰胺磺胺净素和异胺磺胺净素分别从P.α Acidophil和P. mesoacidophila中首先分离获 得,它们的抗菌活性并不高,但是在它们的分子结构启发下,已经合成了具有临床应用价值的药物 Azthreonam。 1023链霉菌(Smrp1 tomicus)和链轮丝菌( Streptoverticillium) 链霉菌和链轮丝菌都属于放线菌,两者很难从生物学的角度进行区分,只是在气生菌丝的形态 上稍有区别。它们都属于Gram阳性菌、专性好氧、化学异养型、以菌丝状生长。一般只需要一种碳 源(如葡萄糖、淀粉或甘油)、一种无机氮源和少数无机盐就能够生长,但在复合培养基中会生长 得更好些。大部分链霉菌都属于中性、中温菌,最佳生长条件的范围为:pH68-7.5、温度2 37C,通常为28C,但也有例外。链霉菌的分布非常广泛,主要寄居在土壤中,而且与土壤中的有 机大分子,如几丁质、淀粉和纤维素等的降解有着十分密切的关系。链霉菌也是几种重要的工业用 酶的生产菌,如葡萄糖异构酶、链霉蛋白酶( Pronase)及胆固醇氧化酶等 链霉菌产生的次级代谢产物数以千计,大多数都具有抗菌能力,这些次级代谢产物的化学结构 千差万别,反映了各种链霉菌代谢途径的多样性。链霉菌是抗生素生产的主要菌种,它们产生的抗 生素主要有以下类型。 10.2.3.1氨基环多醇类抗生素 氨基环多醇类抗生素又称为氨基糖苷类抗生素,是一类拟多糖,有一个含羟基、氨基或呱基的 六碳环和若干个糖分子(主要是氨基糖)构成。链霉菌产生的氨基环多醇类抗生素主要有: 1)链霉素( Streptomycin)抗Gram阴性菌和结核分枝杆菌,最初从S. griseus获得,是一种重要的 医用抗生素。与链霉素结构类似的抗生素还有: Hydrostreptomycin和 Mannosidostreptomycin,但 目前尚无实际应用。 2)新霉素( Neomycins)是一种抗菌抗生素,结构特点是氨基环多醇2-脱氧链霉胺的4及5位上分 别被糖取代,由两种结构类似物新霉素B和C组成,生产菌是S.∫ adige。其它具有类似结构的 抗生素有: Paromomycin(S. rImosuS), Lividomycin(S. lividus)及 Ribostamycin(S. ribosidificus)。这 类抗生素的毒性比较大,除了最后一种用于治疗感染外,其余都只能用于外用药。 3)卡那霉素( Kanamycin)和妥布拉霉素( Tobramycin)其结构特点是2-脱氧链霉胺的4和6位被糖 取代。卡那霉素A由S. kanamyceticus生产,具有抗Gram阴性菌和抗分枝杆菌的能力,是一种 常用抗生素;妥布拉霉素由S. Tenebrarius产生,是一些雷布霉素( Nebramycin)的复合物,具 有抗P. aeruginosa和其它病原体的能力
5 10.2.2 假单胞菌属 Pseudomonas 假单胞菌属细菌是 Gram 阴性菌，杆状，直径约 1m，长度 1.5-5m，能够借助于鞭毛运动， 好氧生长。许多菌株都能积累聚羟基丁酸（PHB），具有很强的降解有机物能力。假单胞菌一般从 土壤中分离得到，也有一些生活在植物的根系和叶子上。 假单胞菌的许多性质都与它所携带的大量质粒有关，这些质粒可以分为 13 类，每一类都有类似 的表观特征、尺寸和 DNA 结构。在这些质粒中广泛分布着编码抗生素抗性的基因及降解芳香化合物 的基因。假单胞菌产生的次级代谢产物有许多不能算是抗生素，而是色素（如绿脓菌荧光素 Fluorescent pyoverdines）及植物毒素（如丁香霉素 Syringomycins）等。 真正能产抗生素的假单胞菌只有 P. aeruginosa 和 P. fluorescens 两个种。所产生的抗生素一般是 含氮的杂环化合物，在氨基酸分解代谢的过程中被生物合成，如吩嗪衍生物碘菌素(Iodinin)和绿脓菌 素(Pyocyanine)。从假单胞菌中分离得到的抗生素在其它微生物中也曾获得过，如环丝氨酸、磷霉素 及氨霉素等。真正首次从假单胞菌分离得到并已经用于医药的只有两种抗生素：吡咯菌素 (Pyrrolnitrin)和拟摩尼酸 A(Pseudomonic acid A)。 吡咯菌素原来也由 P. fluorescens 或 P. pyrrolnitrica 生产，属于天然的含氮化合物，有广泛的抗 真菌作用，常用于治疗皮肤感染，但现在这种药已经改用化学合成方法生产。拟摩尼酸 A 也是由 P. fluorescens 产生的，它的抗菌谱很广，包括大部分 Gram 阳性菌和部分 Gram 阴性菌，能有效地在健 康载体上杀死葡萄球菌。但是拟摩尼酸 A 在人体内会迅速降解为摩尼酸而失去活性，因此也只能外 用。 单环内酰胺磺胺净素和异胺磺胺净素分别从 P. acidophila 和 P. mesoacidophila 中首先分离获 得，它们的抗菌活性并不高，但是在它们的分子结构启发下，已经合成了具有临床应用价值的药物 Azthreonam。 10.2.3 链霉菌(Streptomyces)和链轮丝菌(Streptoverticillium) 链霉菌和链轮丝菌都属于放线菌，两者很难从生物学的角度进行区分，只是在气生菌丝的形态 上稍有区别。它们都属于 Gram 阳性菌、专性好氧、化学异养型、以菌丝状生长。一般只需要一种碳 源（如葡萄糖、淀粉或甘油）、一种无机氮源和少数无机盐就能够生长，但在复合培养基中会生长 得更好些。大部分链霉菌都属于中性、中温菌，最佳生长条件的范围为：pH 6.8-7.5、温度 22- 37oC，通常为 28oC，但也有例外。链霉菌的分布非常广泛，主要寄居在土壤中，而且与土壤中的有 机大分子，如几丁质、淀粉和纤维素等的降解有着十分密切的关系。链霉菌也是几种重要的工业用 酶的生产菌，如葡萄糖异构酶、链霉蛋白酶（Pronase）及胆固醇氧化酶等。 链霉菌产生的次级代谢产物数以千计，大多数都具有抗菌能力，这些次级代谢产物的化学结构 千差万别，反映了各种链霉菌代谢途径的多样性。链霉菌是抗生素生产的主要菌种，它们产生的抗 生素主要有以下类型。 10.2.3.1 氨基环多醇类抗生素 氨基环多醇类抗生素又称为氨基糖苷类抗生素，是一类拟多糖，有一个含羟基、氨基或呱基的 六碳环和若干个糖分子（主要是氨基糖）构成。链霉菌产生的氨基环多醇类抗生素主要有： 1） 链霉素（Streptomycin）抗 Gram 阴性菌和结核分枝杆菌，最初从 S. griseus 获得，是一种重要的 医用抗生素。与链霉素结构类似的抗生素还有：Hydrostreptomycin 和 Mannosidostreptomycin，但 目前尚无实际应用。 2） 新霉素（Neomycins）是一种抗菌抗生素，结构特点是氨基环多醇 2-脱氧链霉胺的 4 及 5 位上分 别被糖取代，由两种结构类似物新霉素 B 和 C 组成，生产菌是 S. fradiae。其它具有类似结构的 抗生素有：Paromomycins(S. rimosus); Lividomycins(S. lividus)及 Ribostamycin(S. ribosidificus)。这 类抗生素的毒性比较大，除了最后一种用于治疗感染外，其余都只能用于外用药。 3）卡那霉素（Kanamycins）和妥布拉霉素(Tobramycin) 其结构特点是 2-脱氧链霉胺的 4 和 6 位被糖 取代。卡那霉素 A 由 S. kanamyceticus 生产，具有抗 Gram 阴性菌和抗分枝杆菌的能力，是一种 常用抗生素；妥布拉霉素由 S. Tenebrarius 产生，是一些雷布霉素（Nebramycins）的复合物，具 有抗 P. aeruginosa 和其它病原体的能力